CN104362060B - 一种介质填充紧凑型相对论返波振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种介质填充紧凑型相对论返波振荡器，属于高功率微波技术领域。本发明关于中心轴线旋转对称，由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、螺线管磁场线圈组成。慢波结构采用盘荷波导型慢波结构，慢波结构由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均为矩形结构。填充介质时，本发明不需要改动RBWO的原有结构，只需在其慢波结构的所有叶片之间填充介质材料即可。该装置能够解决低频相对论返波振荡器体积、重量过大的问题，对于研制小尺寸、紧凑型相对论返波振荡器、推进高功率微波系统的工程应用进程、拓展RBWO的应用领域具有广阔的应用前景和重要的科研价值。

Description

一种介质填充紧凑型相对论返波振荡器
技术领域
本发明涉及一种高功率微波源，尤其是一种介质填充的紧凑型相对论返波振荡器(Relativistic Backward Wave Oscillator,RBWO)，属于高功率微波技术领域。
背景技术
相对论返波振荡器(RBWO)具有高功率、高效率以及适合重复频率工作等特点，是一种重要的高功率微波源，也是当前国内外高功率微波源研究的热点之一。
相对论返波振荡器中的慢波结构常见的有以下三种：正弦形(例如文献1：高梁，钱宝良，葛行军.紧凑型P波段相对论返波振荡器的粒子模拟，强激光与粒子束，2006，Vol.23，No.4)、梯形(例如文献2：葛行军,高梁,曹亦兵等.L波段相对论返波振荡器初步实验研究,强激光与粒子束，2010，Vol.22，No.3)和盘荷波导型(例如文献3：张克潜，李德杰.《微波与光电子学中的电磁场理论》第二版，电子工业出版社，pp.387-390)。针对本发明，上述三种慢波结构均适用。
具有盘荷波导慢波结构的相对论返波振荡器关于中心轴线旋转对称，由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、螺线管磁场线圈组成。其中，阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构均为不锈钢材料，螺线管磁场线圈采用漆包铜线绕制。为了叙述方便，下文规定：阴极所在一端为RBWO的左端，另一端为RBWO的右端。
RBWO工作原理如下：在脉冲高电压作用下，阴极产生一个环形强流相对论电子束。螺线管磁场线圈在阴极和慢波结构区产生一个沿轴向水平向右的磁场，在慢波结构右端磁场逐渐向外弯曲。在磁场洛伦兹力的约束作用下，阴极发射的相对论电子束沿着磁场方向向右运动，相对论电子束经过慢波结构的内表面附近时，在慢波结构腔内激励起-1次空间谐波并向左传播。向左传播的电磁波与向右传播的电子束进一步相互作用，电磁波从相对论电子束中获得能量，功率不断提高而形成高功率微波；最后，向左传播的电磁波被截止颈反射回来再向右传播，最终由微波输出口输出。在慢波结构右端，相对论电子束沿着向外弯曲的磁场方向向外弯曲，轰击到阳极外筒内壁，从而被阳极外筒内壁吸收。阳极外筒内壁收集剩余电子束的区域称之为收集极。
RBWO产生的微波频率主要取决于慢波叶片的径向深度，即慢波叶片的内半径与外半径之差。在慢波叶片的内半径给定的条件下，慢波叶片的外半径越大，微波频率越低。随着微波频率的降低，要求慢波叶片的外半径越来越大。慢波叶片外半径的增大，又导致螺线管磁场线圈半径的增大。对于P波段RBWO，往往由于外半径过大而导致体积、重量超出工程应用中对系统紧凑性的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种介质填充紧凑型相对论返波振荡器，该装置能够解决低频相对论返波振荡器体积、重量过大的问题，对于研制小尺寸、紧凑型相对论返波振荡器、推进高功率微波系统的工程应用进程、拓展RBWO的应用领域具有广阔的应用前景和重要的科研价值。
本发明采用的技术方案是：在传统RBWO慢波结构的慢波叶片之间填充介质材料即可。所填介质材料要求具有较大的击穿场强，相对介电常数满足1.5<εr<10，可采用高分子聚乙烯、聚四氟乙烯、陶瓷等材料。
采用本发明可以达到以下技术效果：
1.本发明在慢波结构叶片之间填充一定的介质材料后，可以降低RBWO产生的微波频率；
2.本发明介质填充相对论返波振荡器可以有效减小低频RBWO的径向尺寸，获得紧凑型低频RBWO；
3.所填介质材料的径向尺寸及其相对介电常数ε越大，填充后微波频率降低的越多；
3.本发明可使低频RBWO装置的体积减小约30％，重量减小约15％，可显著提高RBWO装置的紧凑性。
附图说明
图1.传统RBWO沿中心轴线的剖视图；
图2.本发明所述介质填充RBWO沿中心轴线的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图以盘荷波导型慢波结构为例对本发明的具体实施方式作进一步说明，实际上本发明并不局限于具有盘荷波导型慢波结构的相对论返波振荡器，本发明也适用于具有正弦形或梯形慢波结构的相对论返波振荡器。
图1所示为传统RBWO沿中心轴线的剖视图。传统RBWO由阴极座1、阴极2、阳极外筒3、截止颈4、慢波结构5、螺线管磁场线圈6组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中，阴极座1、阴极2、阳极外筒3、截止颈4、慢波结构5均为不锈钢材料，螺线管磁场线圈6采用漆包铜线绕制而成。
阴极座1为一半径为R0的实心圆柱体，阴极座1左端外接脉冲功率源的内导体，右端用于固定阴极2，阴极2为一个外半径为R1的薄壁圆筒，长度约为(20～50)mm，壁厚约为0.1mm，满足R1＝R0。阴极2与阴极座1通过焊接连接。阳极外筒3左端外接脉冲功率源的外导体。截止颈4呈圆盘状，轴向厚度根据工作需要确定。截止颈4的内半径为R2，外半径为R3，满足R2>R1。截止颈4左端面距离阴极2右端面距离为L0，L0为(20～50)mm；截止颈4右端面距离慢波结构5从左边数第一个慢波叶片左端面的距离为L1，L1为(15～30)mm。慢波结构5采用盘荷波导型慢波结构，即慢波结构的慢波叶片为空心圆盘，每个慢波叶片的厚度均为d，d为(3～10)mm，每个慢波叶片的内半径均为R4，外半径均为R5，满足R5＝R3>R4>R2>R1＝R0。对于低频RBWO，慢波叶片的数目一般为(3～9)个，具体情况视工作需要而定。本实施例中慢波结构5由5个慢波叶片组成。相邻两个慢波叶片之间的间距均为L2，L2为(15～30)mm；阳极外筒3的内半径为R6，满足R6＝R5＝R3。装配时，截止颈4、慢波结构5的慢波叶片依次从阳极外筒3的右侧、沿轴向、紧贴阳极外筒3的内壁，嵌入阳极外筒3内。螺线管磁场线圈6从阳极外筒3的右侧嵌套安装在阳极外筒3的外壁上。
图2为本发明所述介质填充返波振荡器沿中心轴线的剖视图。
本发明不需要改动传统RBWO的原有结构，只需在其慢波结构5的所有叶片之间填充介质材料7即可。所填介质材料7为圆盘状，厚度为L3，满足L3＝L2；介质材料7的内半径为R7，外半径为R8，满足R8>R7>R4，R8＝R3＝R5＝R6。
在保持RBWO其它结构尺寸不变的条件下，所填充介质材料7的相对介电常数1.5<εr<10，相对介电常数εr越大，频率下降越多；所填充介质材料7的径向尺寸越大，频率下降越多。由于叶片之间存在强电场，所填介质材料7的击穿场强越大越好。
以一个L波段RBWO为例,假定慢波结构5的外半径R3为132mm，内半径R4为78mm，慢波结构5的间距L2为20mm，无填充介质材料7时产生的微波频率为1.97GHz。
如果采用填充的介质材料7为高分子聚乙烯(相对介电常数εr为2.3)，其内半径R7为90mm，外半径R8为132mm，厚度L3为20mm，可使RBWO的微波输出频率降低为1.82GHz。如果不采用介质填充，而是采用增加慢波结构5外半径R5的方法降低微波频率，则需要使其外半径R5从132mm增加至158mm。因此，在输出微波频率均为1.82GHz的条件下，假定RBWO的长度不变，外半径R5从158mm降为132mm，则RBWO装置的体积减小了30％。此外，慢波结构外半径R5从158mm降为132mm，可使螺线管磁场线圈6的内外半径减小相同的尺寸，使RBWO的重量减小15％左右。
如果采用填充的介质材料7为陶瓷材料(相对介电常数εr为6.0)，其内半径R7为90mm，外半径R8为132mm，厚度L3为20mm，可使RBWO的微波输出频率降低为1.33GHz。如果不采用介质填充，而是采用增加慢波结构5外半径R5的方法降低微波频率，则需要使其外半径R5从132mm增加至186mm。因此，在输出微波频率均为1.33GHz的条件下，假定RBWO的长度不变，外半径R5从186mm降为132mm，则RBWO装置的体积减小了50％。此外，慢波结构外半径R5从186mm降为132mm，可使螺线管磁场线圈6的内外半径减小相同的尺寸，使RBWO的重量减小27％左右。
由此可见，采用本发明可以有效减小RBWO装置的体积和重量，使RBWO装置更加紧凑。

Claims (5)

1.一种介质填充紧凑型相对论返波振荡器，其特征在于：所述相对论返波振荡器由阴极座(1)、阴极(2)、阳极外筒(3)、截止颈(4)、慢波结构(5)、螺线管磁场线圈(6)和介质材料(7)组成，整个结构关于中心轴线旋转对称，其中，阴极座(1)、阴极(2)、阳极外筒(3)、截止颈(4)、慢波结构(5)均为不锈钢材料，螺线管磁场线圈(6)采用漆包铜线绕制而成；
所述阴极座(1)为一半径为R0的实心圆柱体，阴极座(1)左端外接脉冲功率源的内导体，右端用于固定阴极(2)，所述阴极(2)为一个外半径为R1的薄壁圆筒，长度为(20～50)mm，壁厚为0.1mm，满足R1＝R0，阴极(2)与阴极座(1)通过焊接连接；所述阳极外筒(3)左端外接脉冲功率源的外导体；所述截止颈(4)呈圆盘状，内半径为R2，外半径为R3，满足R3>R2，截止颈(4)左端面距离阴极(2)右端面距离为L0，L0为(20～50)mm，截止颈(4)右端面距离慢波结构(5)从左边数第一个慢波叶片左端面的距离为L1，L1为(15～30)mm；所述慢波结构(5)采用盘荷波导型慢波结构，每个慢波叶片的厚度均为d，d为(3～10)mm，每个慢波叶片的内半径均为R4，外半径均为R5，满足R5＝R3>R4>R2>R1＝R0；对于低频RBWO，慢波叶片的数目为(3～9)个，相邻两个慢波叶片之间的间距均为L2，L2为(15～30)mm；所述阳极外筒(3)的内半径为R6，满足R6＝R5＝R3；装配时，截止颈(4)、慢波结构(5)的慢波叶片之间依次从阳极外筒(3)的右侧、沿轴向、紧贴阳极外筒(3)的内壁，嵌入阳极外筒(3)；所述螺线管磁场线圈(6)从阳极外筒(3)的右侧嵌套安装在阳极外筒(3)的外壁上；
在所述慢波结构(5)的所有叶片之间填充有介质材料(7)，所填充介质材料(7)的相对介电常数为εr，满足1.5<εr<10，内半径为R7，外半径为R8，满足R8>R7>R4，R8＝R3＝R5＝R6，介质材料的厚度L3与慢波结构(5)相邻两个慢波叶片之间的间距L2相等。
2.一种如权利要求1所述介质填充紧凑型相对论返波振荡器，其特征在于：所述慢波结构(5)采用正弦形慢波结构。
3.一种如权利要求1所述介质填充紧凑型相对论返波振荡器，其特征在于：所述慢波结构(5)采用梯形慢波结构。
4.一种如权利要求1、2或3所述介质填充紧凑型相对论返波振荡器，其特征在于：所述慢波结构(5)中慢波叶片的个数为5个。
5.一种如权利要求1、2或3所述介质填充紧凑型相对论返波振荡器，其特征在于：所述介质材料(7)为高分子聚乙烯，聚四氟乙烯或陶瓷。
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